JPH05267750A

JPH05267750A - 半導体励起固体レーザ装置

Info

Publication number: JPH05267750A
Application number: JP4066049A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kojima; 哲夫小島; Kimiharu Yasui; 公治安井; Akira Ishimori; 彰石森
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-03-24
Filing date: 1992-03-24
Publication date: 1993-10-15
Anticipated expiration: 2015-06-12
Also published as: JP3052546B2

Abstract

(57)【要約】【目的】発振効率およびビーム品質を向上することが
できる半導体励起固体レーザ装置を得る。【構成】レーザ共振器の基本ガウスモードのビームの
直径より薄い厚み又は幅を持った断面矩形の形状の固体
レーザ媒質４の周囲にこの固体レーザ媒質４とほぼ同じ
屈折率を有する保持体７を密着接合させ一体化すること
により、半導体レーザ１より出射された励起光３は、固
体レーザ媒質４で基本ガウスモードのみが励起される。
さらに、固体レーザ媒質４より広がった励起光３は、固
体レーザ媒質４と保持体７の界面で反射されることなく
透過し、保持体７の側面で全反射して固体レーザ媒質４
内に閉じ込められ、レーザ光５の発振に寄与するため
に、効率良くレーザ光５を発振することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザを励起源
とする半導体励起固体レーザ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、例えば特願平２−２７８２５
０号明細書に記載されている従来の半導体励起固体レー
ザ装置を示す縦断面図および横断面図である。図におい
て、１は半導体レーザ、２はこの半導体レーザ１を冷却
するヒートシンク、３は半導体レーザ１より出射される
励起光である。４は半導体レーザ１に近接配置され、例
えばＮｄ：ＹＡＧ（Ｙ_３ーｘＮｄ_xＡｌ₅Ｏ₁₂）結晶から
なり、レーザ光５を出射させる固体レーザ媒質で、固体
レーザ媒質４内の励起光３の広がり幅より薄い厚みを有
する平板形状に形成されている。４ａはこの固体レーザ
媒質４の側面に施され、励起光を反射させるコーティン
グ面、４ｂはこの固体レーザ媒質４の半導体レーザ側の
一端面に形成され、励起光３に対しては無反射でレーザ
光５に対しては全反射である第１の選択性反射膜、４ｃ
はこの固体レーザ媒質４の他端に形成され、励起光３に
対しては全反射でレーザ光５に対しては無反射である第
２の選択性部分反射膜である。６はレーザ光５を部分反
射する部分反射鏡で、固体レーザ媒質４の第１の選択性
反射膜４ｂとともに安定型共振器を構成する。７は固体
レーザ媒質の周囲に形成された保持体で、例えばガラス
又はＹＡＧ結晶等により構成されている。８はこの保持
体７と上記固体レーザ媒質４を接着する接着層である。

【０００３】以下、区別を明確にするために、半導体レ
ーザ１から出射される光を単に励起光３、半導体励起固
体レーザから出射される光をレーザ光５と呼ぶ。

【０００４】次に動作について説明する。まず、半導体
レーザ１より出射された励起光３は、固体レーザ媒質４
の端面より入射し、屈折率の差に応じた発散角で伝搬し
ながら、固体レーザ媒質４に吸収される。また、この固
体レーザ媒質４の厚さは、励起光３のこの固体レーザ媒
質４内における広がり幅より薄く形成されているので、
励起光３は固体レーザ媒質４のコーティング面４ａで反
射されることになり、このような内部反射を繰り返して
固体レーザ媒質４内に閉じ込められたまま吸収され、有
効にこれを励起する。この固体レーザ媒質４に吸収され
た励起光３のエネルギーの一部はレーザ光５として固体
レーザ媒質４の外部に出力され、一定以上の大きさにな
ると部分反射鏡６を透過して安定型共振器の外部にレー
ザビームとして取り出される。

【０００５】このように構成された従来の半導体励起固
体レーザ装置においては、固体レーザ媒質４の厚さを励
起光３の固体レーザ媒質４内の広がり幅より薄くするこ
とによって、レーザビーム領域に比べて励起領域が著し
く大きくなることを防いでいるために、レーザ発振のエ
ネルギー効率を高くすることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の半導体励起固体レーザにおいては、基本ガウ
スモードの集光性の良いビームを得ようとして、固体レ
ーザ媒質４の厚みを共振器の基本ガウスモードのビーム
直径よりも薄くすると、固体レーザ媒質４の端面及び接
着層８がアパーチャとなるので、ロスが発生してレーザ
発振効率が悪くなる。一方、レーザ発振効率を高くしよ
うとして、固体レーザ媒質４の厚みを共振器の基本ガウ
スモードのビーム直径よりも厚くすると、次数の高いモ
ードが立ち基本ガウスモードの集光性の良いビームが得
られないという課題があった。

【０００７】本発明は係る課題を解決するためになされ
たもので、発振効率を低下させることなく、品質の良い
レーザビームを実現できる半導体励起固体レーザを提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体励起固体
レーザ装置においては、固体レーザ媒質における厚さ又
は幅、あるいは直径をレーザ共振器の基本ガウスモード
のビーム径より小さく形成するとともに、保持体を固体
レーザ媒質に密着接合したことを特徴とするものであ
る。

【０００９】また、この発明の半導体励起固体レーザ装
置は、固体レーザ媒質と保持体を光学的接着によって一
体化したことを特徴するものである。

【００１０】さらに、この発明の半導体励起固体レーザ
装置は、固体レーザ媒質あるいは保持体を蒸着により保
持体あるいは固体レーザ媒質に接合させたことを特徴と
するものである。

【００１１】

【作用】本発明においては、固体レーザ媒質と保持体と
が密着接合されて一体化しているので、半導体レーザよ
り出射された励起光は、上記固体レーザ媒質と保持体の
界面で反射されることなく広がり、保持体の側面で反射
して固体レーザ媒質と保持体の中に閉じ込められること
になるため、固体レーザ媒質に効率よく吸収されること
となる。さらに、励起光の励起部分となる固体レーザ媒
質の幅又は厚みが、レーザ共振器の基本ガウスモードの
ビーム直径以下に構成されているので、基本ガウスモー
ドのみが効率良く励起されるため、品質の良いレーザ光
を発振することができる。

【００１２】また、本発明の半導体励起固体レーザ装置
においては、固体レーザ媒質と保持体を接着剤を用いず
に光学的接着により一体化したので、固体レーザ媒質と
保持体の界面が均一になり、半導体レーザより出射され
た励起光及びレーザ光は、固体レーザ媒質と保持体の界
面で反射されたり、吸収されることなくレーザ発振に寄
与するために、効率の高いレーザ装置を実現することが
できる。

【００１３】さらに、本発明の半導体励起固体レーザ装
置においては、固体レーザ媒質を保持体に、又は保持体
を固体レーザ媒質に蒸着によって一体化したので、さら
に効率の高いレーザ装置を実現することができる。

【００１４】

【実施例】実施例１．以下、本発明の一実施例である半
導体励起固体レーザ装置について説明する。図１
（ａ）、（ｂ）は本発明の半導体励起固体レーザ装置を
示す縦断面図および横断面図である。図において、１は
半導体レーザ、２はこの半導体レーザ１を冷却するヒー
トシンク、３はこの半導体レーザより出射される励起光
である。４は半導体レーザ１に近接配置され、例えばＮ
ｄ：ＹＡＧ（Ｙ_3ーxＮｄ_xＡｌ₅Ｏ₁₂）結晶からなり、レ
ーザ光５を出射させる固体レーザ媒質で、この固定レー
ザ媒質４のレーザ光の光軸に直交する面は、固体レーザ
共振器の基本ガウスモードのビーム直径以下の厚み及び
幅を有するように形成されている。６はレーザ光５を部
分反射する部分反射鏡で、７は固体レーザ媒質４の周囲
に密着一体化形成された保持体で、上記固体レーザ媒質
４と同程度の屈折率を有するとともに、励起光３及びレ
ーザ光５をほとんど吸収しない材料によって構成されて
おり、この実施例ではＹＡＧ結晶を用いている。なお、
この保持体７は組み立て易くするため４個の分割片７ｃ
〜７ｄで構成されている。９はこの保持体７及び固体レ
ーザ媒質４の半導体レーザ１側のー端面に形成された第
１の選択性反射膜で、励起光３に対しては無反射でレー
ザ光に対しては全反射である。この第１の選択性反射膜
９と部分反射鏡６とによって安定型共振器を構成する。
１０は保持体７及び固体レーザ媒質４との他端面に形成
された第２の選択性反射膜で、励起光３に対しては全反
射でレーザ光に対しては無反射である。１１は上記保持
体７及びヒートシンク２及び部分反射鏡６を固定する基
台である。

【００１５】上記のように構成された半導体励起固体レ
ーザ装置においては、保持体７は組み立て易いように分
割されているが、この分割された保持体７の部品相互の
接触面及び保持体７と固体レーザ媒質４との接触面は精
度良く光学研磨され、密着させることにより光学的に接
着され、この保持体７とこの固体レーザ媒質４とは一体
化されている。この一体化された保持体７及び固体レー
ザ媒質４の一端面はレーザ共振器として必要な曲率に形
成されて研磨され、その後コーティングを施されること
によって、第１の選択性反射膜９が形成されている。一
方、この一体化された保持体７及び固体レーザ媒質４の
他端面も研磨されてコーティングを施され、第２の選択
性反射膜１０が形成されている。

【００１６】また、図２はガウスモードの基本モード、
１次モード及び２次モードの強度分布図であって、縦軸
は強度、横軸は固体レーザ媒質４の中心からの距離を示
すものである。この図に示されるように、基本モードの
中心部の強度の１／ｅ²になる幅が基本モードのビーム
直径である。

【００１７】次に、図２に基づいて上記半導体励起固体
レーザ装置の動作について説明する。まず、半導体レー
ザ１より出射された励起光３は、固体レーザ媒質４の端
面より入射し、屈折率差に応じた発散角で伝搬しながら
固体レーザ媒質４に吸収される。励起光３のうち固体レ
ーザ媒質４の厚み及び幅より広がった部分は固体レーザ
媒質４と保持体７の界面で反射されることなく透過し、
保持体７の側面で全反射されて固体レーザ媒質４と保持
体７間に閉じ込められ、保持体７と固体レーザ媒質４内
で内部反射を繰り返して固体レーザ媒質４に吸収され
る。このとき、この固体レーザ媒質４の厚み及び幅は、
共振器の基本ガウスモードのビーム直径以下となるよう
に構成されているので、共振器内をビームが往復するう
ちに、図２に示されるガウスモードのうち基本ガウスモ
ードのみが効率良く励起されるとともに、基本ガウスモ
ードが指数的に増幅され、１次モード及び２次モードは
消滅する。その結果、基本ガウスモードのレーザ光５の
みが選択的に発振され、一定以上の大きさになると、部
分反射鏡６を透過して安定型共振器の外部に取り出さ
れ、品質の良いレーザビームが得られることになる。

【００１８】上記のように構成された半導体励起固体レ
ーザ装置においては、固体レーザ媒質４と保持体７が接
着層を介在させずに一体形成されているので、固体レー
ザ媒質４と保持体７との界面でのロスがない。また、保
持体７の端面にも第２の選択性反射膜１０が形成されて
いるので、保持体７まで広がった励起光３をも反射させ
て再び固体レーザ媒質４内に戻すことによって、発振に
寄与させることができるため、発振効率を高めることが
できる。

【００１９】実施例２．図３は本発明の実施例２である
半導体励起固体レーザ装置における横断面構成を示す図
である。この実施例においては、固体レーザ媒質４の断
面形状が固体レーザ共振器の基本ガウスモードのビーム
直径とほぼ同じ直径を有する円形状である。また、この
固体レーザ媒質４と保持体７とは接着剤を用いずに光学
的接着により、密着接合されている。

【００２０】次に、この実施例における半導体励起固体
レーザ装置の固体レーザ媒質４と保持体７の光学的接着
方法について説明する。まず、固体レーザ媒質４の直径
と保持体７の円形の穴を共振器の基本ガウスモードのビ
ーム径とほぼ同じに形成し、この固体レーザ媒質４の側
面及び保持体７の内側面を精度良く研磨する。次に、固
体レーザ媒質４を例えば液体窒素などによって冷却し、
この固体レーザ媒質４を収縮させて保持体７の穴の中に
挿入する。この固体レーザ媒質４が常温に戻るときに保
持体７の穴の中で再び膨張して保持体７に密着され、光
学的接着されることとなる。

【００２１】このように構成された半導体励起固体レー
ザ装置においても、固体レーザ媒質４の直径がガウスモ
ードのビーム径より小さく形成されているので、実施例
１と同様に基本ガウスモードのみが選択的に励起され
て、品質の良いレーザビームが発振される。

【００２２】実施例３．図４は本発明の実施例３である
半導体励起固体レーザ装置の構成を示すものであって、
この半導体励起固体レーザ装置は、上記実施例１の半導
体励起固体レーザ装置における半導体レーザ１と固体レ
ーザ媒質４間にレンズ１２を介在させたものである。こ
のように構成されたレーザ装置においては、半導体レー
ザ１より出射された励起光３の発散角をレンズ１２で修
正し、固体レーザ媒質４及び保持体７の端面に入射させ
ることができるので、励起光３の発散角を最も励起効率
の良いものとすることができ、上記実施例１、２より高
出力化が図れるという効果を有する。

【００２３】実施例４図５は本発明の実施例４である半導体励起固体レーザ装
置の断面構成を示す図であり、本実施例の固体レーザ媒
質４は、共振器の基本ガウスモードのビーム直径より薄
い厚みの平板形状である。この固体レーザ媒質４は上下
より保持体７ａ、７ｂによって挟持されている。この保
持体７と上記固体レーザ媒質４との接触面は精度良く研
磨されており、これらを密着させることによって光学的
接着を図ることができ、固体レーザ媒質４と保持体７と
を一体化している。また、この実施例に用いられる半導
体レーザ１は、出射される励起光３の水平方向の広がり
幅が共振器の基本ガウスモードのビーム径より大きくな
らないものである。

【００２４】この実施例の半導体励起固体レーザ装置に
おいては、励起光３の水平方向の発散角は、共振器の基
本ガウスモードのビーム径より小さいので、水平方向の
固体レーザ媒質４の幅が大きくとも、基本ガウスモード
のみが励起されることとなる。また、実施例１と同様に
固体レーザ媒質４の垂直方向の厚みは、共振器の基本ガ
ウスモードのビーム直径より薄く形成してあるので、励
起光３の垂直方向の発散角が固体レーザ媒質４内におい
て共振器の基本ガウスモードのビーム直径よりも大きく
とも、基本ガウスモードのみが励起されることとなるの
で、品質の良いビームが効率良く発生できることとな
る。また、この実施例においては、保持体７の数が実施
例１より少なく、構造が簡単になるために、レーザ装置
の製造が簡単となり、安価に製造できるという効果を有
する。

【００２５】また、上記実施例においては、保持体７又
は固体レーザ媒質４の側面での励起光３の反射は保持体
７と外部との屈折率差による全反射を用いているが、励
起光３の発散角が大きく全反射条件が得にくい場合など
には、図６（ａ）、（ｂ）に示されるように保持体７及
び固体レーザ媒質４の側面に反射膜１３を設けることに
よって、固体レーザ媒質４内に内部反射させても良いこ
とは言うまでもない。

【００２６】また、固体レーザ媒質４及び保持体７の形
状は、上記実施例のように矩形、円形、または平板形状
に限るものではなく、例えば多角形、楕円形などのどの
ような形状でも良いことは言うまでもない。

【００２７】実施例５．図７は本発明の実施例５である
半導体励起固体レーザ装置を示すものであり、図７
（ａ）は縦断面図、図７（ｂ）は横断面図である。図に
おいて、１４は固体レーザ媒質４及び保持体７の端面に
形成され、レーザ光５を全反射させる全反射膜、１５は
保持体７の側面に形成され、励起光３を透過させる透過
膜である。

【００２８】この実施例の半導体励起固体レーザ装置
は、固体レーザ共振器の光軸と励起方向が直交するもの
であって、複数の半導体レーザ１がヒートシンク２にア
レイ状に配列されたアレイ型半導体レーザを用いられて
いる。このアレイ型半導体レーザ１は保持体の側面方向
より透過膜１５を介して励起光３を固体レーザ媒質４内
に入射させる構造となっている。

【００２９】このように構成された半導体励起固体レー
ザ装置においても、固体レーザ媒質４はレーザ共振器の
基本ガウスモードのビーム直径より薄い厚み及び幅を有
する断面矩形としたので、ビーム品質がよく、高出力で
効率の高いレーザ装置を実現できるとともに、半導体レ
ーザ１を複数個用いることによって、さらに上記実施例
１〜４より高出力化が図れるという効果を有する。

【００３０】実施例６．図８（ａ）及び（ｂ）は実施例
５の変形例による固体レーザの横断面構成を示す図であ
る。このように固体レーザ媒質４の形状を平板状にする
と、固体レーザ媒質４を大きくできるため、さらに高出
力化が可能となる。さらに、構造が簡単になるために、
レーザ装置を安価に製造できるという効果を奏する。

【００３１】実施例７．図９は本発明の実施例７である
半導体励起固体レーザ装置の要部側面図である。この実
施例においては、実施例５、６の半導体励起固体レーザ
装置における固体レーザ媒質４又は保持体７の側面に半
導体レーザ１から出射された励起光３が入射する部分に
のみ透過膜１６を形成し、他の部分には反射膜１５を形
成したものである。

【００３２】このように構成することによって、半導体
レーザ１の励起光３が入射しない部分において、励起光
３が固体レーザ媒質４又は保持体７から外部への漏れる
ことを抑制できるので、さらに高出力化、高効率化が図
れる。

【００３３】また、上記実施例においては、固体レーザ
媒質４と保持体７の接着は光学的接着を用いたが、保持
体７に直接固体レーザ媒質４を蒸着してもよい。このよ
うに蒸着によって保持体７に直接固体レーザ媒質４を形
成することによって、保持体７と固体レーザ媒質４の界
面で励起光を反射されたり、吸収されることがないので
励起光を効率良く利用できる。また、固体レーザ媒質４
に保持体７を直接蒸着して形成してもよいことは言うま
でもない。

【００３４】実施例８．図１０は実施例８の半導体励起
固体レーザ装置を示す縦断面図であって、この実施例は
実施例１に示される半導体励起固体レーザ装置におい
て、固体レーザ媒質４及び保持体７の両端面に直接レー
ザ共振器を構成したものである。このように構成された
半導体励起固体レーザ装置においては、実施例１と同様
な効果が得られるとともに、レーザ共振器はきわめて簡
潔な構造になり、堅牢なものにできるという効果を有す
る。また、実施例２〜７においても固体レーザ媒質４と
保持体７の両端面に直接レーザ共振器を構成しても良い
ことは言うまでもない。

【００３５】実施例９．図１１は、実施例９の半導体励
起固体レーザ装置を示すものであって、実施例１の半導
体励起固体レーザ装置におけるレーザ共振器内に例えば
ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）結晶からなる非線形光学素子
１７を挿入させたものである。このような半導体励起固
体レーザ装置においては、ビーム品質が良いため安定な
第２高調波が効率良く発生することができる。さらに、
実施例２〜７のレーザ共振器内に非線形光学素子１７を
入れることによって同様の効果が得られることは言うま
でもない。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体励
起固体レーザ装置においては、基本ガウスモードのみを
効率良く励起させることができるために、ビーム品質が
良く、効率の高いレーザを出射することができるという
効果を有する。

【００３７】また、本発明の半導体励起固体レーザ装置
においては、固体レーザ媒質と保持体とが光学的接着に
より一体化されているので、効率の高いレーザ光を出射
できる半導体励起固体レーザ装置を提供できるという効
果を有する。

【００３８】また、他の発明の半導体励起固体レーザ装
置においては、固体レーザ媒質を保持体に、又は保持体
を固体レーザ媒質に蒸着することによって一体化されて
いるので、固体レーザ媒質と保持体の界面を均一とする
ことができるため、ビーム品質がよく、効率の高いレー
ザを出射できる半導体励起固体レーザ装置を提供できる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１である半導体励起固体レーザ
装置を示す縦断面図及び横断図である。

【図２】半導体励起固体レーザ装置におけるレーザ光の
強度分布を示す特性図である。

【図３】本発明の実施例２である半導体励起固体レーザ
装置を示す横断面図である。

【図４】本発明の実施例３である半導体励起固体レーザ
装置を示す縦断面図である。

【図５】本発明の実施例４である半導体励起固体レーザ
装置を示す横断面図である。

【図６】本発明の実施例４である半導体励起固体レーザ
装置を示す横断面図である。

【図７】本発明の実施例５である半導体励起固体レーザ
装置を示す縦断面図及び横断面図である。

【図８】本発明の実施例６である半導体励起固体レーザ
装置を示す横断面図である。

【図９】本発明の実施例７である半導体励起固体レーザ
装置を示す要部側面図である。

【図１０】本発明の実施例８である半導体励起固体レー
ザ装置を示す縦断面図である。

【図１１】本発明の実施例９である半導体励起固体レー
ザ装置を示す縦断面図である。

【図１２】従来の半導体励起固体レーザを示す縦断面図
及び横断面図である。

【符号の説明】

１半導体レーザ３励起光４固体レーザ媒質５レーザ光６レーザ共振器７保持体９レーザ共振器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｓ 3/094 3/098 8934−4Ｍ 8934−4ＭＨ０１Ｓ 3/094 Ｓ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】励起光を発生させる半導体レーザと、こ
の半導体レーザにおける励起光が入射される固体レーザ
媒質と、この固体レーザ媒質の周囲に設けられ、この固
体レーザ媒質とほぼ同様の屈折率を有する保持体と、こ
の固体レーザ媒質を介して配置され、レーザ光を出射さ
せるレーザ共振器とを備え、上記固体レーザ媒質におけ
る厚さ又は幅、あるいは直径を上記レーザ共振器の基本
ガウスモードのビーム径より小さく形成するとともに、
上記保持体を上記固体レーザ媒質に密着接合したことを
特徴とする半導体励起固体レーザ装置。
【請求項２】固体レーザ媒質と保持体を光学的接着に
よって一体化したことを特徴する請求項第１項記載の半
導体励起固体レーザ装置。
【請求項３】固体レーザ媒質あるいは保持体を蒸着に
より保持体あるいは固体レーザ媒質に接合させたことを
特徴とする請求項第１項記載の半導体励起固体レーザ装
置。